孫懿琳,田 輝,方 偉,霍貴成
(乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150030)
保加利亞乳桿菌關(guān)鍵糖代謝機(jī)制的研究
孫懿琳,田 輝,方 偉,霍貴成*
(乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,東北農(nóng)業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱 150030)
以五株德氏乳桿菌保加利亞亞種為出發(fā)菌株,通過高效液相色譜法對(duì)四株后酸化強(qiáng)弱不同的保加利亞乳桿菌發(fā)酵的酸奶中葡萄糖、乳糖、半乳糖及乳酸的含量進(jìn)行測(cè)定,通過Carrez法處理沉淀蛋白,采用Aminex HPX 87H色譜柱,5mmol/LH2SO4溶液為流動(dòng)相,流速0.6mL/min。結(jié)果表明,本實(shí)驗(yàn)中保加利亞乳桿菌室溫貯存過程中產(chǎn)乳酸的途徑為乳糖到葡萄糖,葡萄糖通過糖酵解生成乳酸,生成的半乳糖不被利用,一直處于累積狀態(tài);后酸化強(qiáng)的菌株代謝乳糖和葡萄糖的含量比后酸化弱的菌株代謝量更高,乳糖代謝途徑為菌株貯存期產(chǎn)酸關(guān)鍵途徑。
保加利亞乳桿菌,發(fā)酵乳,糖代謝,后酸化,高效液相色譜
保加利亞乳桿菌是酸奶發(fā)酵劑中重要的菌種之一,也是導(dǎo)致后酸化現(xiàn)象發(fā)生的主要菌種,如果能夠篩選出自然狀況下的質(zhì)量?jī)?yōu)良的弱后酸化保加利亞乳桿菌,使其在酸奶發(fā)酵時(shí)正常產(chǎn)生乳酸,而在低溫貯存過程中具有較弱的產(chǎn)酸能力,可從根本上解決酸奶后酸化問題[1]。目前通過改善工藝水平控制后酸化的方法很多,但都不能從根本上解決后酸化問題[2],而誘變育種及基因工程的遺傳穩(wěn)定性受到多因素影響和制約[3-4]。我國(guó)擁有豐富的乳酸菌資源,且擁有年銷售額上百億的酸奶市場(chǎng),完全可以不斷篩選出更好的功能性菌株,這是解決酸奶后酸化的長(zhǎng)遠(yuǎn)大計(jì)。酸乳發(fā)酵菌種主要包括德氏乳桿菌保加利亞亞種與嗜熱鏈球菌,研究表明,此二株菌對(duì)乳糖的代謝方式為同型乳酸發(fā)酵,乳糖經(jīng)透膜酶被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi),經(jīng)β-半乳糖苷酶催化,產(chǎn)生葡萄糖和半乳糖,葡萄糖經(jīng)糖酵解途徑生成乳酸和三磷酸腺苷;而半乳糖不被利用,被排除細(xì)胞外[5-6]。RobertW Hutkins等[7]認(rèn)為乳糖與半乳糖通過反向轉(zhuǎn)座子運(yùn)輸,來維持乳酸菌的新陳代謝平衡。研究德氏乳桿菌保加利亞亞種的糖代謝機(jī)制,對(duì)于開發(fā)一種弱后酸化的酸乳發(fā)酵劑具有重要意義。本文主要目標(biāo)是從實(shí)驗(yàn)室菌株中篩選出天然的弱后酸化保加利亞乳桿菌,采用高效液相色譜法利用Am inex HPX 87H分析柱對(duì)菌株在代謝乳糖,半乳糖和葡萄糖量的測(cè)定和對(duì)比中,找出酸奶貯藏過程中菌株可以通過哪些途徑代謝糖產(chǎn)酸,找出酸奶貯藏過程中菌株代謝糖產(chǎn)酸的關(guān)鍵途徑,從而為有針對(duì)性的控制酸奶后酸化問題,為直投式弱后酸化酸奶發(fā)酵劑的制備提供一定的理論指導(dǎo)。
1.1 材料與儀器
菌種 實(shí)驗(yàn)菌株為德氏乳桿菌保加利亞亞種KLDS-1.0207、KLDS-1.1009、KLDS-1.1005、KLDS-1.1006、KLDS-1.1011,自行從弱后酸化商業(yè)發(fā)酵劑中分離的保加利亞乳桿菌命名為G-495;培養(yǎng)基 MRS培養(yǎng)基和11%(w·v-1)脫脂乳培養(yǎng)基;乳糖、葡萄糖、半乳糖和乳酸 Sigma公司,色譜純;亞鐵氰化鉀、乙酸鋅和冰乙酸等其他化學(xué)試劑 均為分析純。
Delta 320精密pH計(jì) Mettler Toledo公司;GL-21M高速冷凍離心機(jī) 上海市離心機(jī)械研究所;HPLC Waters 2695高效液相色譜儀 美國(guó)Waters公司;Aminex HPX 87H分析柱(300mm×7.8mm,9μm) 美國(guó)Bio-Rad公司。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 弱后酸化菌株的篩選 a.初篩:將15株實(shí)驗(yàn)室菌株以3%接種于MRS液體培養(yǎng)基中,每隔2h取樣,測(cè)定pH,OD600nm,從中篩選出生長(zhǎng)速度差異較大的菌株。
b.復(fù)篩:將生長(zhǎng)速度差異較大的菌株接種至11%的脫脂乳中,做單菌發(fā)酵實(shí)驗(yàn),檢測(cè)菌株在4℃貯存過程中的后發(fā)酵能力,從中篩選出后酸化強(qiáng)弱差異較大的菌株。
c.對(duì)照菌株:自行從商業(yè)發(fā)酵劑中分離出的菌株G-495為弱后酸化保加利亞乳桿菌,不經(jīng)過篩選,直接作為后期糖代謝實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照菌株。
1.2.2 脫脂乳發(fā)酵酸奶的制作 將活化好的保加利亞乳桿菌以5×106cfu/m L的接種量接入11%脫脂乳中充分混勻、迅速分裝至無菌小燒杯中,于42℃培養(yǎng)箱中發(fā)酵,待pH達(dá)到4.5,立即終止發(fā)酵,4℃后熟24h,將發(fā)酵乳移至25℃培養(yǎng)箱,加速后酸化,貯藏10d。
1.2.3 低溫貯存過程中酸度的測(cè)定[8]測(cè)定單菌發(fā)酵的酸奶在4℃貯存過程中酸度的變化情況。滴定酸度采用GB 5413.34-2010,pH測(cè)定方法采用Delta 320精密pH計(jì)直接測(cè)定。
1.2.4 室溫后酸化貯存過程中乳糖、葡萄糖、半乳糖和乳酸的測(cè)定[9-10]采用高效液相色譜技術(shù)對(duì)保加利亞乳桿菌單菌發(fā)酵乳在25℃貯存下,1、4、10d的葡萄糖、乳糖、半乳糖及乳酸含量進(jìn)行高效液相色譜分析,每組三個(gè)平行。
樣品處理:采用Carrez法對(duì)樣品進(jìn)行處理。稱取均勻保加利亞乳桿菌單菌發(fā)酵乳樣品5.0000g(精確至0.1mg),加25g水溶解,緩慢加入CarrezⅠ溶液和CarrezⅡ溶液各2.5m L,加水使溶液質(zhì)量為50.0000g(精確至0.1mg),磁力攪拌30m in,放置室溫后5000r/m in離心15m in,獲上清液并用0.22μm微孔濾膜過濾以去除蛋白及細(xì)菌菌體,-20℃保存。其中CarrezⅠ溶液:稱取10.6g亞鐵氰化鉀,加水溶解至100m L;CarrezⅡ溶液:稱取21.9g乙酸鋅加3m L冰乙酸,加水溶解并稀釋至100m L[13]。
機(jī)器參數(shù):Bio-Rad Aminex HPX 87H(300mm× 7.8mm,9μm)色譜柱,RID214示差折光檢測(cè)器,5mmol/L H2SO4流動(dòng)相,流速0.6m L/m in,溫度為65℃,進(jìn)樣量10μL,每個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)間13m in。
標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:用流動(dòng)相為溶劑,精確配制葡萄糖為0.5~2.5mg/m L,乳糖為4~12mg/m L,半乳糖為1~5mg/m L,乳酸為2.5~7.5mg/m L,用0.22μm濾膜過濾于樣品瓶中,以標(biāo)準(zhǔn)品含量(mg/m L)為橫坐標(biāo),吸收峰面積為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
2.1 弱后酸化菌株
2.1.1 初篩 從15株實(shí)驗(yàn)室菌株中篩選出5株生長(zhǎng)速度差異較大的菌株。生長(zhǎng)曲線如圖1所示。
圖1 五株菌的生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curve of the five strains
圖2 五株菌的pH變化曲線Fig.2 pH curve of the five strains
菌株的生長(zhǎng)速度與菌株的代謝和產(chǎn)酸有直接關(guān)系,菌株較低的生長(zhǎng)能力也導(dǎo)致了其較弱的產(chǎn)酸能力,所以將生長(zhǎng)速度作為篩選弱后酸化菌株的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。由圖1、圖2可知,菌株24h的產(chǎn)酸情況與細(xì)胞密度一致,其中生長(zhǎng)較快的菌株24h后的pH達(dá)到3.9~4.1,光密度值(OD600)為1.6~1.8;而生長(zhǎng)較慢的菌株pH為4.3~4.6,光密度值(OD600)僅為0.8~1.0,這是因?yàn)镠+-ATPase活性可以調(diào)節(jié)德氏乳桿菌保加利亞亞種的能量代謝和菌株自身的生長(zhǎng),生長(zhǎng)較慢的菌株可能是由于其H+-ATPase較弱,使得底物磷酸化水平較低[11],因此ATP的產(chǎn)量也隨之減少,導(dǎo)致了菌株的低生長(zhǎng)率和弱產(chǎn)乳酸能力[12]。經(jīng)過初篩后,從實(shí)驗(yàn)室菌株中篩選出生長(zhǎng)速度慢的菌株KLDS-1.1006、KLDS-1.1011和KLDS-1.1004,生長(zhǎng)速度快的菌株KLDS-1.0207和KLDS-1.1009。
2.1.2 復(fù)篩 從5株生長(zhǎng)速度差異較大的菌株中篩選出2株弱后酸化菌株,并以1株后酸化較強(qiáng)的菌株作為對(duì)照菌株,酸度變化曲線如圖3所示。
圖3 貯存期間三株菌的滴定酸度變化曲線Fig.3 Acidity curve of the three strains in the storage duration
Donkor[13]認(rèn)為高質(zhì)量的酸奶在消費(fèi)者消費(fèi)時(shí),其pH應(yīng)為4.2~4.3,國(guó)標(biāo)GB 19302-2010對(duì)酸奶及其制品規(guī)定:酸度為≥70°T(乳酸度為≥0.63)。由圖3、圖4可知,三株生長(zhǎng)速度相差很大的實(shí)驗(yàn)室菌株的后酸化程度差異很大,KLDS-1.0207在貯存13d后發(fā)生了嚴(yán)重的后酸化,pH達(dá)到4.15,滴定酸度達(dá)到110°T,而兩株生長(zhǎng)速度緩慢的菌株KLDS-1.1006和KLDS-1.1011在貯存期間pH變化趨勢(shì)平緩,在貯存13d后,pH仍能維持在4.5左右,滴定酸度在86~89°T之間,增長(zhǎng)量不足10°T。故經(jīng)過復(fù)篩后,篩選出KLDS-1.1006和KLDS-1.1011為野生弱后酸化保加利亞乳桿菌。
圖4 貯存期間三株菌pH變化曲線Fig.4 pH curve of the three strains in the storage duration
2.2 乳糖、葡萄糖、半乳糖和乳酸的含量分析
2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線 標(biāo)準(zhǔn)樣品的回歸方程、相關(guān)系數(shù)見表1,由表1可知各組分的質(zhì)量濃度0.5~12mg/m L與峰面積呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)在0.9997~0.9999之間,可見,標(biāo)準(zhǔn)曲線具有較高精確度,符合定量要求。
表1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性Table 1 The linearity of standard curve
2.2.2 混合標(biāo)準(zhǔn)品及樣品高效液相色譜圖 葡萄糖和半乳糖互為手性同分異構(gòu)體,一般色譜技術(shù)很難將它們分開,但是離子交換樹脂柱Aminex HPX 87通過離子調(diào)節(jié)分配層析技術(shù)分離不同化學(xué)特性的混合物,可以很好地分離各種糖類物質(zhì)并準(zhǔn)確定量[14],本實(shí)驗(yàn)采用Am inex HPX 87分離柱很好地將兩者分開?;旌蠘?biāo)準(zhǔn)品色譜分離圖見圖5。
圖5 乳糖、葡萄糖、半乳糖標(biāo)準(zhǔn)樣品的高效液相色譜圖Fig.5 HPLC chromatogram ofmixed sugar standards
本實(shí)驗(yàn)中選取Carrez法處理樣品,方法簡(jiǎn)單快速,能消除雜質(zhì)對(duì)樣品的潛在影響,排除干擾能力強(qiáng);不同的流速和柱溫對(duì)樣品分離時(shí)間會(huì)有很大影響[15],本實(shí)驗(yàn)中樣品分離時(shí)間僅為13min,能很好得將葡萄糖和半乳糖分開。樣品分離圖見圖6。
圖6 Carrez法處理樣品后的色譜圖Fig.6 HPLC chromatogram of fermented milk
2.2.3 乳糖、葡萄糖、半乳糖和乳酸的含量分析 因?yàn)橐页鋈樗峋x乳糖產(chǎn)酸的關(guān)鍵途徑,所以需測(cè)定各菌株的糖和酸在貯藏期的變化,找出后酸化強(qiáng)弱不同的菌株對(duì)關(guān)鍵糖代謝量的差別,所以對(duì)受試菌株的選擇和測(cè)定天數(shù)是很重要的。本實(shí)驗(yàn)選取25℃為貯存溫度,可以更快更明顯的反映出菌株的后酸化能力,而菌株在0~2d貯存中的pH下降極快,在第4d是真正決定后酸化強(qiáng)弱的關(guān)鍵一天[16],故本實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試在25℃貯藏第1、4、10d發(fā)酵乳中的葡萄糖、半乳糖、乳糖和乳酸的量,表2~表4為根據(jù)HPLC對(duì)各菌株代謝糖產(chǎn)酸量的結(jié)果,分別計(jì)算出各菌在1~4d和1~10d內(nèi)的乳糖代謝量,半乳糖的積累量及乳酸的生成量。
由表2~表4可知,菌株貯存過程中的糖代謝與產(chǎn)酸是完全相對(duì)應(yīng)的,即消耗乳糖量越多,生成乳酸量則越多;其中前4d的糖代謝量較大,乳糖消耗量和半乳糖的積累量均占10d內(nèi)整體消耗量的大部分,尤其是對(duì)于后酸化弱的菌株來說,前4d的乳酸生成量與前10d的乳酸生成量相差不大,這進(jìn)一步證明了前4d是貯存期菌株產(chǎn)酸的關(guān)鍵時(shí)期;在貯存后期(6~10d),后酸化弱的菌株糖代謝率低,產(chǎn)酸緩慢;后酸化強(qiáng)的菌株則繼續(xù)快速代謝糖產(chǎn)酸。
表2 高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定單菌發(fā)酵酸奶中乳糖含量Table 2 Changes in lactose contents in fermented milk during storage as determined by the HPLCmethod
表3 高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定單菌發(fā)酵酸奶中半乳糖含量Table 3 Changes in galactose contents in fermented milk during storage as determined by the HPLCmethod
表4 高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定單菌發(fā)酵酸奶中乳酸含量Table 4 Changes in lactic acid contents in fermented milk during storage as determined by the HPLCmethod
在乳糖酶存在的情況下,乳糖的水解伴隨著半乳糖的釋放,其中,葡萄糖通過類似于PTS系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn),乳糖和半乳糖通過通透酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)[17]。Terence Thomas、Vaughan Crow和Rob Hutkins均曾報(bào)道過嗜熱鏈球菌自發(fā)突變株可以在半乳糖作為唯一碳源的環(huán)境中生長(zhǎng),而其他大多數(shù)的乳酸菌均只能代謝乳糖和葡萄糖[18],菌株不能利用半乳糖,部分原因可能是其不能合成調(diào)節(jié)Leior途徑的足夠數(shù)量的半乳糖激酶,另一方面也可能是由于乳糖-半乳糖的反向轉(zhuǎn)座子運(yùn)輸競(jìng)爭(zhēng)抑制了半乳糖激酶的酶活[19]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中半乳糖從貯存開始就一直在積累,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),半乳糖的含量逐漸增多,這也和Robert等認(rèn)為的保加利亞乳桿菌選擇性代謝半乳糖的觀點(diǎn)是一樣的[5-7];乳酸菌產(chǎn)酸的另一個(gè)關(guān)鍵就是葡萄糖經(jīng)糖酵解途徑生成乳酸,葡萄糖反應(yīng)的量應(yīng)等于乳酸生成的量,而本實(shí)驗(yàn)中并未檢測(cè)到葡萄糖的含量,這是因?yàn)槠咸烟墙?jīng)乳糖水解生成后,立即通過EMP途徑瞬間轉(zhuǎn)化而不會(huì)排放到胞外,因此含量極低未到HPLC檢出限[20],這和很多研究者認(rèn)為的貯存過程中葡萄糖的量極低或者根本檢測(cè)不出來[21-22]是一致的,其中Richmond[14]研究表明發(fā)酵乳貯藏至50d才可檢測(cè)到葡萄糖且痕量。
碳源迅速有效的利用是快速產(chǎn)酸、pH急劇下降的主要因素[23]。后酸化強(qiáng)的菌株KLDS-1.0207代謝乳糖量和半乳糖積累量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了后酸化程度弱的KLDS-1.1006和G-495,而后酸化較弱的KLDS-1.1001代謝乳糖量和半乳糖積累量均較低,可見菌株表現(xiàn)出來的后酸化差異與它們的乳糖代謝有直接關(guān)系。A lm[24]研究表明,在貯存11d的酸奶制品中,乳糖含量從最初的非發(fā)酵乳中4.8g/100g降低到酸奶中的2.3g/100g,而半乳糖則由原來的微量增加到發(fā)酵結(jié)束后的1.3g/100g;李琦[10]報(bào)道,嗜熱鏈球菌發(fā)酵乳室溫貯存10d后,乳糖含量從新鮮酸乳的50.01mg/m L下降至42.93mg/m L,而本實(shí)驗(yàn)中四株保加利亞乳桿菌單菌發(fā)酵乳在25℃貯存10d后,乳糖的含量分別降低了35%~43%,半乳糖的含量分別增加了26%~35%(和第一天相比),理論上乳糖的吸收量和半乳糖的釋放量是在同等摩爾下進(jìn)行的[25],但從我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,生成的半乳糖的量并不是乳糖消耗量的一半,這是因?yàn)檫€有一部分細(xì)胞內(nèi)的半乳糖沒有被測(cè)出來的原因。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,乳糖經(jīng)β-半乳糖苷酶代謝分解這一步對(duì)于貯藏過程中保加利亞乳桿菌代謝產(chǎn)酸來講尤為重要,同時(shí)糖代謝結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)中篩選出的菌株KLDS-1.1006和KLDS-1.1001是弱后酸化菌株。
3.1 低溫貯存期間,由于乳中的乳酸菌可繼續(xù)代謝乳糖產(chǎn)酸,導(dǎo)致酸度增加,使產(chǎn)品出現(xiàn)消費(fèi)者不可接受的過酸味及其他感官質(zhì)量下降的現(xiàn)象,目前控制后酸化的方法較多,雖有一定效果,但成本均較高。本實(shí)驗(yàn)中篩選出的天然弱后酸化菌株KLDS-1.1006及KLDS-1.1011,性狀穩(wěn)定,生產(chǎn)上操作簡(jiǎn)單,可降低成本,且貯存期間pH緩慢下降,可保證乳制品酸味適中,口感良好,符合消費(fèi)者的需求,擁有廣闊的市場(chǎng)前景。
3.2 通過高效液相色譜法測(cè)定出保加利亞乳桿菌單菌發(fā)酵乳在后酸化貯存中產(chǎn)酸關(guān)鍵途徑為乳糖到葡萄糖,葡萄糖通過糖酵解在乳酸脫氫酶的作用下生成乳酸,其并不能利用半乳糖;本實(shí)驗(yàn)中后酸化強(qiáng)的菌株代謝乳糖和葡萄糖的含量比后酸化弱的菌株代謝量均高,可見,菌株的糖代謝量與產(chǎn)酸多少有直接的關(guān)系,即糖代謝量多,產(chǎn)酸多,后酸化強(qiáng),故可通過檢測(cè)糖代謝量來判斷菌株的后酸化強(qiáng)弱。通過確定的菌株代謝糖產(chǎn)酸的關(guān)鍵途徑,可為進(jìn)一步解決酸奶后酸化問題提供理論指導(dǎo)。
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Study on the key glycometabolism of Lactobacillus delbrueckiisubsp.Bulgaricus
SUN Yi-lin,TIAN Hui,F(xiàn)ANG W ei,HUO Gui-cheng*
(Key Lab of Dairy Science,Ministry of Education,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)
Five Lactobacillus delbrueckii subsp.bulgaricus strains were regarded as the research sub ject,an HPLC method for the determ ination of lactose,g lucose and galactose in fermented m ilk was estab lished. Proteins from sam p les were p recipitated w ith Carrez reagent.The chromatog raphic separation was achieved on an Am inex HPX 87H column using 5mmol/L H2SO4as mobile phase at a flow rate of 0.6m L/m in.Results demonstrated that the metabolism of Lac tobacillus delbrueckiisubsp.bulgaricus was from lac tose to g lucose,the latter would be transferred into lactic acid,they had inability to uilize galac tose.The strains which had strong ability of metabolizing g lucose and lactose also showed serious postacidification.The metabolic pathway from lactose to lactic acid was the crucial fac tor that results in postacid ification of yogurt.
Lactobacillus delb rueckiisubsp.bulgaricus;fermented m ilk;g lycometabolism;postacid ification;high p ressure liquid chromatog raphy(HPLC)
TS201.3
A
1002-0306(2012)20-0202-05
2012-05-21 *通訊聯(lián)系人
孫懿琳(1987-),女,碩士研究生,研究方向:乳品科學(xué)與工程。
教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT0959);國(guó)家自然基金項(xiàng)目(31171717)。